JP3772227B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、メタノール直接型燃料電池、ジメチルエーテル直接型燃料電池、アルカリ形燃料電池などの燃料電池、すなわち２００℃以下の低温で動作する燃料電池に関し、特に酸化剤ガスの温度と湿度を調整する温度湿度調整装置を備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池においては、燃料としての純水素、天然ガス、プロパン、ブタン、メタノール及びジメチルエーテル等が、改質器で改質され、水素を主成分とする二酸化炭素などのガスを含む改質燃料ガス、すなわち燃料ガスに変換されて燃料電極に供給される。一方、反応ガスとしては、空気、純酸素もしくは酸素濃度を高めた空気が酸化剤ガス（酸化剤供給ガス）として酸化剤電極に供給される。
【０００３】
燃料電極および酸化剤電極では、水素と酸素の反応によって水が生成される。そのため、電解質は下流側で湿潤になり、酸化剤ガスに水分が添加されて排出させる。燃料ガス側と酸化剤ガス側に排出される水分の比率は、反応によって燃料電極と酸化剤電極のどちらに生成水が生成されるかによらず、燃料ガスと酸化剤ガスの流量の比率によって決まる。すなわち、燃料ガスおよび酸化剤ガスによって水分が持ち去られる。
【０００４】
そして、供給する反応ガスが乾燥している場合、酸化剤ガスの入口付近の電解質は乾燥してしまう。このことは、固体高分子電解質、りん酸、硫酸、ＫＯＨなどの電解質の種類によらず同じことである。酸化剤ガスおよび純水素の場合は、供給反応ガスが乾燥しているので加湿して供給する必要がある。また、燃料電池は室温よりも高い温度で反応するので、反応ガスの出口温度は、反応ガスの入口温度よりも高くなり、反応ガスによって燃料電池を冷却することになる。
【０００５】
しかし、燃料電池の長所の１つは排熱利用であり、反応ガスによって燃料電池の排熱が持ち去られてしまうと、冷却水の温度を充分に高めることができず、排熱の有効利用が困難になる。このようなことから、反応ガスの入口と出口での熱交換が行われている。
【０００６】
燃料電池では、電解質の種類によらず、燃料電池を動作させるのに望ましい電解質の濃度の上限と下限が存在する。その範囲を保つために、反応ガスの温度と湿度の調節が行われている。
【０００７】
このような状況は、電解質が高分子の中に取り込まれている固体高分子形燃料電池においても全く同じで、硫酸形燃料電池やりん酸形燃料電池に似ている。ただし、固体高分子電解質に含むべき水分の下限値が高いので、他の燃料電池に比べると反応ガスの湿度をやや高めに保つ必要がある。
【０００８】
従来の燃料電池では、特に酸化剤ガスの温度湿度の調整が重要視されている。それは、燃料ガスに比べて圧倒的に流量が多く、持ち去られる熱や水分が燃料ガス側に比べて圧倒的に多いからである。
【０００９】
従来の燃料電池で酸化剤ガスの供給ガスと排出ガスとの間の温度と湿度の交換をさせるための装置として用いられていたものとして、代表的なものが、例えば特公昭６３−１８３０４号公報に記載されている。
【００１０】
図７は例えば特公昭６３−１８３０４号公報に記載された温度・湿度交換器および燃料電池発電システムの模式図である。尚、本発明においても、基本的な構成は図７と同じ構成をしている。図７において、２１０は、複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックである。１１０は、燃料電池スタック２１０に隣接して設けられ反応ガスとしての酸化剤ガスの温度と湿度を調整する温度湿度調整装置である。燃料電池スタック２１０には、電解質層１１１と、電解質層１１１を挟むようにして設けられた酸化剤電極１１２、燃料電極１１５からなる燃料電池セルが積層されて設けられている。燃料電池は通常、数十ないし数百の燃料電池セルが積層して用いられるが、図７では簡単のために一層の燃料電池セルの構成を示している。
【００１１】
また、１１４は燃料電池セルに向かう酸化剤ガス流路、１１５は燃料電池セルに向かう燃料ガス流路である。そして、１１は燃料電池スタック２１０に供給される酸化剤供給ガスの流れ、１２は燃料電池スタック２１０から排出された酸化剤排出ガスの流れである。酸化剤供給ガスの流れ１１のうち、温度湿度調整装置１１０に入る流れが１１ａ、温度湿度調整装置１１０を出る流れが１１ｅである。また、酸化剤排出ガスの流れ１２のうち、温度湿度調整装置１１０に入る流れが１２ａ、温度湿度調整装置１１０を出る流れが１２ｅである。
【００１２】
燃料電池スタック２１０から排出された酸化剤排出ガス１２は、温度湿度調整装置１１０を通過して外部に排出され、熱と水分を温度湿度調整装置１１０に伝達する。一方、燃料電池スタック２１０に供給される酸化剤供給ガス１１は、温度湿度調整装置１１０を通って、熱と水分を受け取った後、燃料電池スタック２１０に供給される。そして、酸化剤ガス入口付近の電解質層１１１には、充分な量の水分が与えられるので、乾燥によるイオン伝導抵抗の増加を軽減することができる。
【００１３】
図８は例えば特公昭６３−１８３０４号公報に記載されている温度湿度調整装置の構成を示す断面模式図である。図において、１２ａは温度湿度調整装置１１０に入る酸化剤排出ガスの流れ、１２ｅは温度湿度調整装置１１０を出る酸化剤排出ガスの流れ、１０２は透水膜、１０３は酸化剤排出ガスの通路部、１０４は酸化剤供給ガスの通路部である。
【００１４】
温度湿度調整装置１１０は、吸湿性のある紙と折り曲げた厚紙を交互に並べて構成されており、吸湿性のある紙は透水膜１０２として機能し、山谷折りされた厚紙は、酸化剤排出ガスの通路部１０３および、酸化剤供給ガスの通路部１０４の空間を形成する。山谷折りされた厚紙は交互に直交する向きに並べられており、側面から酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスが透水膜１０２を介して直交して流れるように構成されている。
【００１５】
透水膜１０２と山谷折りされた厚紙の積層数は、酸化剤ガスの流量や加湿必要量に応じて増減される。図８の正面に見える側面は、酸化剤供給ガスの通路部１０４の出口側に相当する。
【００１６】
酸化剤排出ガスは図８の左から右に山谷折りされた厚紙部分を通って酸化剤排出ガスの通路部１０３を移動する。その際に、厚紙部分の上下の透水膜１０２に熱と水分が吸収される。透水膜１０２に吸収された熱と水分は、透水膜１０２を透過して酸化剤供給ガスの通路部１０４を通ってきた酸化剤供給ガスに付加される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の温度湿度調整装置１１０においては、水分が溜まる場所が、酸化剤排出ガスの通路部１０３の入口近傍に限られてしまう。そのため、酸化剤排出ガスの通路部１０３の入口近傍を通った酸化剤供給ガスは充分に加湿されるものの、中央付近や出口近傍を通った酸化剤供給ガスはほとんど加湿されない。そのため、積層数を多くして温度や湿度の交換率を高めざるを得ず、燃料電池スタック２１０と同程度の大きさになってしまい問題であった。しかも従来の温度湿度調節装置１１０では、酸化剤排出ガスの温度・湿度に比べて、酸化剤供給ガスの温度・湿度は、それぞれ１０℃、相対湿度１０％程度低めになり、十分な加温と加湿を与えることができないので問題であった。これは燃料ガスについても同様であった。
【００１８】
また、一般に燃料電池に供給される反応ガスに関しては、大気中や燃料中に含まれるＳＯｘなどのイオウ化合物が燃料電池スタック２１０に取り込まれて、不可逆的に性能を大きく劣化させてしまうことが知られているが、従来の温度湿度調節装置１１０では、これを除去する能力がほとんどなく問題であった。
【００１９】
さらに、酸化剤ガスでは、大気中のほこり、ごみ及び微粒子が、また、燃料ガスでは、改質触媒が微粉化して砕けた微粒子などが燃料電池スタック２１０にとりこまれて流路入口付近を閉塞することがあるが、従来の温度湿度調節装置１１０では、これを除去する能力に乏しいので問題であった。
【００２０】
また、大気中の臭い成分や配管の金属イオン、水に含まれるカルシウムなどのイオン成分が電極に取り込まれて、被毒したり、イオン伝導抵抗を高めるなどの悪影響を与えているが、従来の温度湿度調節装置１１０では、これを除去する能力に乏しいので問題であった。
【００２１】
このように、従来の燃料電池の温度湿度調整装置は、温度・湿度の交換が容易な領域が限定さており、加湿能力に限りがあり、面積の小さな透水膜を多数積層して構成する必要があり、温度湿度調整装置の大きさが燃料電池スタックに匹敵するぐらいに大きくなり嵩張るなどの問題があった。さらには、燃料電池スタックに有害な成分を除去する能力に乏しい問題があった。
【００２２】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、温度・湿度の交換を高効率で行うことができ装置の小型化を図ることができ、さらに反応ガス中に含まれる埃や不純物などを除去することが可能な温度湿度調整装置を備えた燃料電池を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池は、電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
【００２４】
この発明に係る燃料電池は、電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、前記温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
【００２５】
この発明に係る燃料電池は、電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、前記温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領域においては、前記酸化剤供給ガスと前記酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、外部から供給された前記酸化剤供給ガスは、前記第１の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第３の温度湿度調整領域の順に流れ、一方、前記燃料電池スタックから排出された前記酸化剤排出ガスは、前記第３の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第１の温度湿度調整領域の順に流れ、前記第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
【００２６】
この発明に係る燃料電池は、電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、前記温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領域においては、前記酸化剤供給ガスと前記酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、外部から供給された前記酸化剤供給ガスは、前記第１の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第３の温度湿度調整領域の順に流れ、一方、前記燃料電池スタックから排出された前記酸化剤排出ガスは、前記第３の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第１の温度湿度調整領域の順に流れ、前記第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の温度湿度調整装置の斜視図である。温度湿度調整装置１００は、第１の温度湿度調整領域１、第２の温度湿度調整領域２および第３の温度湿度調整領域３を並設して備えている。
【００３１】
図１において、５は第１の温度湿度調整領域１に設けられた酸化剤ガス供給ダクト、６は第１の温度湿度調整領域１に設けられた酸化剤ガス排出ダクトである。一方、７は第３の温度湿度調整領域３に設けられた燃料電池スタックへの酸化剤入口ポート、８は第３の温度湿度調整領域３に設けられた燃料電池スタックからの酸化剤出口ポートである。
【００３２】
また、１１ａは温度湿度調整装置１００に流入する酸化剤供給ガスの流れ、１１ｅは温度湿度調整装置１００から出て図示しない燃料電池スタックに供給される酸化剤供給ガスの流れ、１２ａは図示しない燃料電池スタックから出て温度湿度調整装置１００に流入する酸化剤排出ガスの流れ、１２ｅは温度湿度調整装置１００から排出される酸化剤排出ガスの流れである。
【００３３】
さらにまた、１３は第１の温度湿度調整領域１と第２の温度湿度調整領域２の間の仕切板、１４は第２の温度湿度調整領域２と第３の温度湿度調整領域３の間の仕切板である。
【００３４】
本実施の形態の温度湿度調整装置１００は、フェノール樹脂で構成された箱形の筐体を有している。外径寸法は、縦２００ｍｍ、横１５０ｍｍ、奥行き１２０ｍｍである。この大きさは従来の酸化剤供給ガスの温度湿度調整装置の３分の１の容積である。
【００３５】
図１には示していないが、それぞれの温度湿度調整領域には、それぞれ６枚の温度湿度調整膜が配設されており、従来例と同様に、温度湿度調整膜と折り畳まれた隔壁が交互に積層されてなる温度湿度調整セルが６セル積層された構成になっている。そしてこの温度湿度調整膜を介して、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスが直交して流れるようになっている。
【００３６】
第１、第２および第３の温度湿度調整領域１、２、３は、各々フェノール樹脂板で構成された仕切板１３、１４によって仕切られている。そして、図中２点鎖線は、後で詳しく述べる温度湿度調整膜の面と温度湿度調整領域の共通ガスマニホールド部の位置を示している。
【００３７】
酸化剤供給ガスは、矢印１１ａに示されるように酸化剤ガス供給ダクト５から温度湿度調整装置１００に入り、太点線矢印１１ｂのように第１の温度湿度調整領域１において図１の下側から上側に流れ、共通ガスマニホールド部で折り返して、第２の温度湿度調整領域２では、太点線矢印１１ｃのように図１の上側から下側に流れ、さらに共通ガスマニホールド部で折り返して、第３の温度湿度調整領域３では、太点線矢印１１ｄのように図１の下側から上側に流れ、矢印１１ｅに示されるように酸化剤入口ポート７を通って燃料電池スタックに向かう。
【００３８】
一方、燃料電池スタックを出た酸化剤排出ガスは、矢印１２ａに示されるように酸化剤出口ポート８から温度湿度調整装置１００に入り、白抜き点線矢印１２ｂのように第３の温度湿度調整領域３を図１の右側から左側に水平方向に流れ、共通ガスマニホールド部で折り返して、第２の温度湿度調整領域２を白抜き点線矢印１２ｃのように図１の左側から右側に水平方向に流れ、さらに共通ガスマニホールド部で折り返して、第１の温度湿度調整領域１を白抜き点線矢印１２ｄのように図１の右側から左側に水平方向に流れ、矢印１２ｅに示されるように酸化剤ガス排出ダクト６を通って温度湿度調整装置１００から排出される。
【００３９】
酸化剤排出ガスは、燃料電池で発生した熱と生成水によって高温高湿の状態にあり、この酸化剤排出ガスが最初に通過する第３の温度湿度調整領域３は、酸化剤排出ガスが大量の凝縮熱を与えるので３つの温度湿度調整領域の中で最も温度が高くなる。
【００４０】
一方、酸化剤供給ガスは、室温に近い温度で湿度も低い。そのため、最も低温で乾燥した酸化剤供給ガスが最初に通過する第１の温度湿度調整領域１は乾燥した酸化剤供給ガスが大量の蒸発熱を奪い３つの温度湿度調整領域の中で最も低温になる。
【００４１】
すなわち、第３の温度湿度調整領域３が最も温度が高く、第２、第１の順番に温度が低くなる。また、第３の温度湿度調整領域３が最も湿潤で、第２、第１の順番で湿度が低下する。
このように本実施の形態に係る燃料電池においては、高温高湿、中温中湿、低温低湿の３つの領域を備えている。
【００４２】
図２は本実施の形態に係る燃料電池の温度湿度調整装置１００および燃料電池スタック２００の斜視図である。矢印１６ａ、１６ｂ、１６ｃは燃料電池スタック２００内での酸化剤ガスの流れを示している。
図２の本実施の形態の燃料電池スタック２００は、固体高分子形燃料電池であって７５個の燃料電池セルが積層されて設けられている。各燃料電池セルの構造は、従来例と同じである。セルの有効面積は１００ｃｍ2である。酸化剤ガスは、鉛直方向上下に配置された図示しない内部マニホールドを介して、図２の上側から下側へ流れるように構成されている。
【００４３】
酸化剤入口ポート７から燃料電池スタック２００に入った酸化剤ガスは、燃料電池スタック２００の上方に配置された酸化剤入口側内部マニホールドを矢印１６ａに示すように通り、各セルの酸化剤ガス流路を矢印１６ｂに示すように通り、酸素が消費されると共に生成水が付加され、さらにセルの発電による発熱によって加熱される。そして、図２の下方に配置された酸化剤出口側内部マニホールドを矢印１６ｃに示すように通って、酸化剤出口ポート８を通って温度湿度調整装置１００に入る。
【００４４】
燃料電池スタック２００から排出される酸化剤排出ガスは加温加湿されて高温高湿のガスとなる。一方、燃料電池スタック２００に供給される酸化剤供給ガスは、一般に大気中の空気がブロワーやコンプレッサーで集められて供給されるので、温度湿度調整装置１００に流入する前では低温低湿である。そして、温度湿度調整装置１００の内部で、温度湿度調整膜を介して酸化剤排出ガスと温度・湿度交換をすることによって、昇温されまた相対湿度も増大する。
【００４５】
本実施の形態の燃料電池の温度湿度調整装置の構成を、さらに詳細に以下の図３、図４、図５および図６を用いて説明する。
図３は第１の温度湿度調整領域１の平面図（Ａ）、平面図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図（Ｂ）および平面図（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う矢視断面図（Ｃ）をともに示す説明図である。
図３において、２２は酸化剤ガス供給ダクト５に設けられた酸化剤ガス供給ポートである。２３は酸化剤ガス排出ダクト６に設けられた酸化剤ガス排出ポートである。１１ｂは酸化剤供給ガスの流れ、１２ｄは酸化剤排出ガスの流れである。
【００４６】
２６は第１領域の温度湿度調整膜、２７は酸化剤排出ガスの通路が設けられた隔壁、２８は酸化剤供給ガスの通路が設けられた隔壁、２９は酸化剤供給第１領域入口共通ガスマニホールド、３０は酸化剤供給第１領域出口共通ガスマニホールド、３１は酸化剤排出第１領域入口共通ガスマニホールド、３２は酸化剤排出第１領域出口共通ガスマニホールドである。
【００４７】
第１の温度湿度調整領域１は、３つの温度湿度調整領域の中では最も低温低湿の領域になる。第１の温度湿度調整領域１には、酸化剤ガス供給ダクト５と酸化剤ガス排出ダクト６があり、それぞれに酸化剤ガス供給ポート２２と酸化剤ガス排出ポート２３が取り付けられている。
【００４８】
空気ブロワーやエアコンプレッサーなどを用いて集められた空気などの酸化剤供給ガスは、酸化剤ガス供給ポート２２から供給され、温度湿度調整装置１００を通って燃料電池スタック２００に供給され、発電に使用された後、高温多湿となって酸化剤排出ガスとなる。そして、再び温度湿度調整装置１００に入り、温度湿度調整装置１００を通過する間に温度と湿度を温度湿度調整膜を介して酸化剤供給ガスに与えて低温低湿となった後、酸化剤ガス排出ポート２３から排出される。
【００４９】
第１領域の温度湿度調整膜２６には片面に活性炭を塗布した厚さ１５０μｍの和紙を使用し、イオウ酸化物を吸着する物質である活性炭の微粉末を塗布した面を酸化剤供給ガス側に向けて配置した。また、酸化剤排出ガスの通路が設けられた隔壁２７および、酸化剤供給ガスの通路が設けられた隔壁２８には山谷折りされた厚紙（クラフト紙）を用いた。
【００５０】
第１領域の温度湿度調整膜２６は、酸化剤排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出ガスの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透によって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸化剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給ガスを加湿し昇温させる。温度湿度調整膜２６の表裏の伝熱によっても酸化剤排出ガスが冷却され酸化剤供給ガスが加熱される。しかし、膜の表裏の伝熱による熱の顕熱移動よりも、凝縮と蒸発による潜熱移動の方が移動する熱量が大きい場合が多い。
【００５１】
また、酸化剤供給ガス側に面した活性炭の微粉末は、酸化剤供給ガスに含まれるイオウ化合物、窒素化合物、アンモニア類などの燃料電池の酸化剤電極の機能を阻害する物質をその広い表面積で吸着し除去する。なお、チリやほこりの類もこの第１の温度湿度調製領域１において膜に付着して除去される。
【００５２】
図４は第２の温度湿度調整領域２の平面図（Ｄ）、平面図（Ｄ）のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図（Ｅ）および平面図（Ｄ）のＦ−Ｆ線に沿う矢視断面図（Ｆ）をともに示す説明図である。
図４において、３６は第２領域の温度湿度調整膜、３７は共通ガスマニホールド間を移動する酸化剤供給ガスの流れ、３８は共通ガスマニホールド間を移動する酸化剤排出ガスの流れ、３９は酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド、４０は酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド、４１は酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド、４２は酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールドである。
【００５３】
酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド３９は、図３に示す酸化剤供給第１領域出口共通ガスマニホールド３０と連通している。矢印３７は、酸化剤供給第１領域出口共通ガスマニホールド３０から酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド３９に向かう酸化剤供給ガスの流れを示している。矢印３７は、さらに酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド４０から後で述べる酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホールドに向かう酸化剤供給ガスの流れを示している。
【００５４】
一方、酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールド４２は、図３に示す酸化剤排出第１領域入口共通ガスマニホールド３１と連通している。矢印３８は、酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールド４２から酸化剤排出第１領域入口共通ガスマニホールド３１に向かう酸化剤排出ガスの流れを示している。矢印３８は、さらに後で述べる酸化剤排出第３領域出口共通ガスマニホールド５３から酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド４１に向かう酸化剤排出ガスの流れを示している。
【００５５】
第２の温度湿度調整領域２は、３つの温度湿度調整領域の中では中温中湿の領域になる。第１の温度湿度調整領域１で、多少加温加湿された酸化剤供給ガスは、第２の温度湿度調整領域２においてさらに加温加湿される。また、第３の温度湿度調整領域３で熱と水分を奪われた酸化剤排出ガスは、第２の温度湿度調整領域２においてさらに熱と水分が奪われ、その熱と水分は第２領域の温度湿度調製膜３６を介して、酸化剤供給ガスに付加される。
【００５６】
第２領域の温度湿度調整膜３６には厚さ１５０μｍの和紙を使用した。また、酸化剤排出ガスの通路が設けられた隔壁２７および、酸化剤供給ガスの通路が設けられた隔壁２８には第１の温度湿度調製領域１と同様に山谷折りされた厚紙（クラフト紙）を用いた。
【００５７】
第２領域の温度湿度調整膜３６は、酸化剤排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出ガスの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透によって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸化剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給ガスを加湿し昇温させる。
【００５８】
図５は第３の温度湿度調整領域３の平面図（Ｇ）、平面図（Ｇ）のＨ−Ｈ線に沿う矢視断面図（Ｈ）および平面図（Ｇ）のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図（Ｉ）をともに示す説明図である。
図５において、４６は第３領域の温度湿度調整膜、５０は酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホールド、５１は酸化剤供給第３領域出口共通ガスマニホールド、５２は酸化剤排出第３領域入口共通ガスマニホールド、５３は酸化剤排出第３領域出口共通ガスマニホールドである。
【００５９】
酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホールド５０は、図４に示す酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド４０と連通している。一方、酸化剤排出第３領域出口共通ガスマニホールド５３は、図４に示す酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド４１と連通している。
【００６０】
第３の温度湿度調整領域３は、３つの温度湿度調整領域の中で最も高温高湿の領域になる。第２の温度湿度調整領域２で、さらに加温加湿された酸化剤供給ガスは、第３の温度湿度調整領域３において燃料電池で用いるのに十分な程度にまで加温加湿される。一方、燃料電池スタック２００から排出された酸化剤排出ガスは、第３の温度湿度調整領域３において大量の熱と水分が奪われ、その熱と水分は第３領域の温度湿度調製膜４６を介して、酸化剤供給ガスに付加される。
【００６１】
第３領域の温度湿度調整膜４６には厚さ５０μｍのプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜（ナフィオン１１２、デュポン社）を２枚のカーボンペーパー（東レ）で挟んで１８０℃でホットプレスしたものを使用した。また、酸化剤排出ガスの通路が設けられた隔壁２７および、酸化剤供給ガスの通路が設けられた隔壁２８には第１の温度湿度調製領域１と同様に山谷折りされた厚紙（クラフト紙）を用いた。
【００６２】
第３領域の温度湿度調整膜４６では、酸化剤排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出ガスの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透によって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸化剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給ガスを加湿し昇温させる。また、第３領域の温度湿度調整膜４６は、イオン交換膜なので、酸化剤供給ガス中に含まれる金属イオン等、燃料電池の酸化剤電極の機能を阻害する物質を除去する。
【００６３】
図６は温度湿度調整装置１００を燃料電池スタック２００側から見た平面図である。本実施の形態の温度湿度調整装置１００は、酸化剤入口ポート７と酸化剤出口ポート８を介して燃料電池スタック２００から着脱自在とされている。そのため、温度湿度調整装置１００を燃料電池スタック２００から取り外して、汚れた温度湿度調整膜を容易に取り替えることができる。
【００６４】
本実施の形態の温度湿度調整装置１００を１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池スタック２００に装着して、１００回の起動停止や負荷の変化を含むおよそ５００時間の運転試験を行ったところ、従来の温度湿度調整装置よりも高い出力電圧を保って運転できることを確認した。
【００６５】
このように本実施の形態の燃料電池は、電解質層、電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを酸化剤電極に浸透させて、燃料ガスと酸化剤供給ガスとを電解質層を介して反応させて発電し、反応後の酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタック２００と、燃料電池スタック２００に接続され、燃料電池スタック２００に供給する酸化剤供給ガスと燃料電池スタック２００から排出される酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置１００とを有する燃料電池であって、温度湿度調整装置１００は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域１、２、３を有し、各々の温度湿度調整領域１、２、３においては、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜２６、３６、４６を介して対峙し、外部から供給された酸化剤供給ガスは、第１の温度湿度調整領域１、第２の温度湿度調整領域２、第３の温度湿度調整領域３の順に流れ、一方、燃料電池スタック２００から排出された酸化剤排出ガスは、第３の温度湿度調整領域３、第２の温度湿度調整領域２、第１の温度湿度調整領域１の順に流れる。そのため、低温低湿度、中温中湿度、高温高湿度の順に、反応供給ガスを効率的に加温加湿することができ、温度・湿度の交換を高効率で行うことができるので、装置の小型化を図ることができる。
【００６６】
また、第１、第２、第３の温度湿度調整領域１、２、３は、それぞれ、酸化剤供給ガスが流れる流路と酸化剤排出ガスが流れる流路とが温度湿度調整膜２６、３６、４６を介して直交して形成されている温度湿度調整セルが、ガスの流通方向に垂直に複数積層されてなり、第１の温度湿度調整領域１において温度湿度調整セルの一側から他側に流れる酸化剤供給ガスは、第２の温度湿度調整領域２において第１の温度湿度調整領域１と反対方向にながれ、さらに第３の温度湿度調整領域３においては第２の温度湿度調整領域２と反対方向に流れ、第３の温度湿度調整領域３において酸化剤供給ガスと直交して流れる酸化剤排出ガスは、第２の温度湿度調整領域２において第３の温度湿度調整領域３と反対方向にながれ、さらに第１の温度湿度調整領域１においては第２の温度湿度調整領域２と反対方向に流れる。そのため、構造を複雑にすることなく、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスを効果的に温度湿度交換させることができる。
【００６７】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１の第１の温度湿度調製領域１に用いる温度湿度調製膜２６の酸化剤供給ガス側に、高比面積を持つカーボン粉末であるアセチレンブラックに貴金属である白金微粒子を担持した白金担持カーボンを液状になった固体高分子電解質であるナフィオン液（アルドリッチ）に混ぜて吹き付けたものを使用した。そして、ホルムアルデヒド臭のある酸化剤ガスとして供給した。すると、温度湿度調製装置の出口ガスからはホルムアルデヒド臭がなくなっており、臭い成分を白金触媒で付着して分解除去できることが判明した。
【００６８】
しかしながら、温度湿度調製膜２６を第３の温度湿度調製領域３に用いた場合にはホルムアルデヒド臭が残っていた。このようなことから、低温で吸着力が強く、低湿度でカーボンが濡れすぎておらず高い表面積を保っているので臭い成分の除去効果が高かったと考えられる。
【００６９】
実施の形態３．
本実施の形態では、第１の温度湿度調製領域１に用いる温度湿度調製膜２６の酸化剤供給ガス側に、粘着性の物質としてスプレー糊（スリーエム社）を吹き付けたものを使用し、ハウスダストを含む空気を酸化剤ガスとして供給したところ、ハウスダストのほとんど全てが第１の温度湿度調製領域１の温度湿度調製膜２６に付着して除去できることが判明した。
【００７０】
しかしながら、第３の温度湿度調製領域３で温度湿度調製膜にスプレー糊（スリーエム社）を吹き付けたもの２６を使用したところ、しばらく使用していると糊が高温高湿で劣化し、糊としての機能を失ってしまった。
【００７１】
実施の形態４．
本実施の形態では、第２の温度湿度調製領域２に用いる温度湿度調製膜３６に、０．１Ｎの水酸化カリウム水溶液を塗布し乾燥させた。また、酸化剤供給ガスとして５０ｐｐｍのＳＯｘを混合したものを用いた。６時間供給を継続した後ＳＯｘを分析したところ、大量に検出され、酸性化合物であるＳＯｘがアルカリ性の水酸化カリウムに中和されて硫酸カリウムとなってトラップされていることが判明した。
【００７２】
ＳＯｘは、あらゆる種類の燃料電池を不可逆的に劣化させることが知られている。一方、空気中には、自動車の排気ガスなどからＳＯｘが微量含まれており、これらの物質による劣化が懸念されていた。
【００７３】
温度湿度調製膜によるこれら不純物のトラップは燃料電池の寿命を延ばす効果を与える。０．１Ｎの水酸化カリウム水溶液を塗布し乾燥させた温度湿度調製膜３６を第１の温度湿度調製領域１に用いた場合には効果が少なく、第３の温度湿度調製領域３に用いた場合には、しばらくすると水酸化カリウム成分が凝縮した水に流されて下に溜まってしまって機能しなくなった。
【００７４】
実施の形態５．
本実施の形態では、酸化剤ガスではなく、ＣＯを５０ppm含むメタンの改質ガスを反応ガスとして用いた。また、図１によく似た構成ではあるが、第１、第２、第３の温度湿度調整膜を６枚ではなく、２枚に減らして構成したものを用いた。燃料電池スタックの燃料ガス入口、燃料ガス出口に接続して、起動停止や負荷の変化を含む運転試験を行い、従来の温度湿度調整装置よりも高い出力電圧を保って運転できることを確認した。
【００７５】
実施の形態６．
本実施の形態では、実施の形態５と同様の構成で、第１の温度湿度調製領域１に用いる温度湿度調製膜の酸化剤供給ガス側に、高比面積を持つカーボン粉末であるアセチレンブラックに白金微粒子を担持した白金担持カーボンを液状になった固体高分子電解質であるナフィオン液（アルドリッチ）に混ぜて吹き付けたものを使用し、ガス混合機を用いてＣＯ濃度を５０ppmから５００ppmまで変化させてメタン改質ガスを模擬したガスを供給したところ、ＣＯ被毒が急に高くなっても、セル電圧への影響が小さくなっており、高いセル電圧を保てることが分かった。
【００７６】
これは、低温低湿度領域にある白金触媒が高濃度のＣＯを吸着し、徐々に脱着するために、ＣＯ濃度の急激な上昇によるセル電圧の急激な低下を防ぐことができたためで、ＣＯ濃度のバッファーとして機能したためと考えられる。改質ガス中のＣＯ濃度が状況によって大きく変化する可能性があり、これを緩和する機能は出力電圧を安定化させる上で極めて重要である。
【００７７】
なお、上記実施の形態では、温度湿度調製膜として和紙を用いた場合を示したが、ポリプロピレン不織布、ポリプロピレン多孔質膜、ポリチレン不織布、ポリエチレン多孔質膜、ポリスチレン不織布、天然パルプ紙、綿布、綿不織布、布、フェルト、カーボン不織布、カーボンクロス、カーボンペーパーなどを用いてもよく、あるいはこれらを組み合わせたものであってもよく同様の効果が得られる。
【００７８】
また、上記実施の形態では、温度湿度調製膜として使用する固体高分子電解質膜としてナフィオン１１２を用いた場合を示したが、アシプレックス（旭化成）、フレミオン（旭硝子）、ゴア膜（ジャパンゴアッテクス）などを用いても良く、これらスルフォン酸基を側鎖に持つフッ素系の膜以外にカルボン酸基を側鎖に持つフッ素系の膜や炭化水素系の膜を用いても良い。
【００７９】
なお、上記実施の形態では反応ガスとして酸化剤ガスの場合を示したが、純水素や改質ガスなどの燃料ガスの場合でもよく、同様の効果が得られる。
【００８０】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００８１】
この発明に係る燃料電池は、電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、前記温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質が含まれているので、適度な湿り気を有する中温中湿度領域において、燃料電池の性能を大幅に低下させるイオウ化合物を効果的に吸着除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、窒素化合物を吸着する物質、および、アンモニアを吸着する物質が含まれているので、窒素化合物やアンモニア類などの燃料電池の酸化剤電極の機能を阻害する物質を吸着し除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、ホルムアルデヒドを吸着する物質が含まれているので、ホルムアルデヒドの臭い成分を吸着して分解除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、ＣＯを吸着する物質が含まれているので、ＣＯを効果的に吸着除去することができる。
【００８２】
また、この発明に係る燃料電池は、温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末が含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、貴金属を担持したカーボン粉末が含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。また、ＣＯを大量に吸着し、改質ガス中のＣＯ濃度が急激に増加した場合でも、ＣＯ濃度の変化を緩和し、燃料電池スタックの出力電圧への影響を緩和することができる。
さらに、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ酸化物を吸着する物質である活性炭が含まれているので、適度な湿り気を有する中温中湿度領域において、燃料電池の性能を大幅に低下させるイオウ酸化物を効果的に吸着除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、高比面積を持つカーボン粉末であるアセチレンブラックが含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、水酸化カリウムが含まれているので、酸性化合物がアルカリ性の水酸化カリウムに中和されてトラップすることができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、粘着性の物質が含まれているので、粘着物質が高温多湿によって寿命劣化するような物質の場合でも、低温低湿度の領域で、酸化剤供給ガスに含まれるごみなどの粒子状や繊維状の物質を効率的に粘着物質によって吸着除去することができる。
【００８３】
また、温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領域においては、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、外部から供給された酸化剤供給ガスは、第１の温度湿度調整領域、第２の温度湿度調整領域、第３の温度湿度調整領域の順に流れ、一方、燃料電池スタックから排出された酸化剤排出ガスは、第３の温度湿度調整領域、第２の温度湿度調整領域、第１の温度湿度調整領域の順に流れるので、低温低湿度、中温中湿度、高温高湿度の順に、反応供給ガスを効率的に加温加湿することができ、温度・湿度の交換を高効率で行うことができるので、装置の小型化を図ることができる。
【００８４】
また、第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質が含まれているので、適度な湿り気を有する中温中湿度領域において、燃料電池の性能を大幅に低下させるイオウ化合物を効果的に吸着除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、窒素化合物を吸着する物質、および、アンモニアを吸着する物質が含まれているので、窒素化合物やアンモニア類などの燃料電池の酸化剤電極の機能を阻害する物質を吸着し除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、ホルムアルデヒドを吸着する物質が含まれているので、ホルムアルデヒドの臭い成分を吸着して分解除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、ＣＯを吸着する物質が含まれているので、ＣＯを効果的に吸着除去することができる。
【００８５】
また、第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれている。
温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末が含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、貴金属を担持したカーボン粉末が含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。また、ＣＯを大量に吸着し、改質ガス中のＣＯ濃度が急激に増加した場合でも、ＣＯ濃度の変化を緩和し、燃料電池スタックの出力電圧への影響を緩和することができる。
さらに、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ酸化物を吸着する物質である活性炭が含まれているので、適度な湿り気を有する中温中湿度領域において、燃料電池の性能を大幅に低下させるイオウ酸化物を効果的に吸着除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、高比面積を持つカーボン粉末であるアセチレンブラックが含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去することができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、水酸化カリウムが含まれているので、酸性化合物がアルカリ性の水酸化カリウムに中和されてトラップすることができる。
また、温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、粘着性の物質が含まれているので、粘着物質が高温多湿によって寿命劣化するような物質の場合でも、低温低湿度の領域で、酸化剤供給ガスに含まれるごみなどの粒子状や繊維状の物質を効率的に粘着物質によって吸着除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る燃料電池の温度湿度調整装置の斜視図である。
【図２】 本実施の形態に係る燃料電池の温度湿度調整装置および燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】 第１の温度湿度調整領域の平面図（Ａ）、平面図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図（Ｂ）および平面図（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う矢視断面図（Ｃ）をともに示す説明図である。
【図４】 第２の温度湿度調整領域の平面図（Ｄ）、平面図（Ｄ）のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図（Ｅ）および平面図（Ｄ）のＦ−Ｆ線に沿う矢視断面図（Ｆ）をともに示す説明図である。
【図５】 第３の温度湿度調整領域の平面図（Ｇ）、平面図（Ｇ）のＨ−Ｈ線に沿う矢視断面図（Ｈ）および平面図（Ｇ）のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図（Ｉ）をともに示す説明図である。
【図６】 温度湿度調整装置を燃料電池スタック側から見た平面図である。
【図７】 従来の温度・湿度交換器および燃料電池発電システムの模式図である。
【図８】 従来の温度湿度調整装置の構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１００ 温度湿度調整装置、１ 第１の温度湿度調整領域、２ 第２の温度湿度調整領域、３ 第３の温度湿度調整領域、２００ 燃料電池スタック、２６ 第１領域の温度湿度調整膜、２９ 酸化剤供給第１領域入口共通ガスマニホールド、３０ 酸化剤供給第１領域出口共通ガスマニホールド、３１ 酸化剤排出第１領域入口共通ガスマニホールド、３２ 酸化剤排出第１領域出口共通ガスマニホールド、３６ 第２領域の温度湿度調整膜、３９ 酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド、４０ 酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド、４１ 酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド、４２ 酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールド、４６ 第３領域の温度湿度調整膜、５０ 酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホールド、５１ 酸化剤供給第３領域出口共通ガスマニホールド、５２ 酸化剤排出第３領域入口共通ガスマニホールド、５３ 酸化剤排出第３領域出口共通ガスマニホールド。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell such as a solid polymer fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a methanol direct fuel cell, a dimethyl ether direct fuel cell, and an alkaline fuel cell, that is, a fuel cell operating at a low temperature of 200 ° C. or less. In particular, the present invention relates to a fuel cell provided with a temperature / humidity adjusting device for adjusting the temperature and humidity of the oxidant gas.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, pure hydrogen as a fuel, natural gas, propane, butane, methanol, dimethyl ether, etc. are reformed in a reformer, and a reformed fuel gas containing a gas such as carbon dioxide mainly containing hydrogen, That is, it is converted into fuel gas and supplied to the fuel electrode. On the other hand, as the reaction gas, air, pure oxygen, or air with an increased oxygen concentration is supplied to the oxidant electrode as an oxidant gas (oxidant supply gas).
[0003]
In the fuel electrode and the oxidant electrode, water is generated by the reaction of hydrogen and oxygen. Therefore, the electrolyte becomes wet on the downstream side, and moisture is added to the oxidant gas to be discharged. The ratio of moisture discharged to the fuel gas side and the oxidant gas side depends on the ratio of the flow rate of the fuel gas and the oxidant gas, regardless of whether the generated water is generated in the fuel electrode or the oxidant electrode by the reaction. Determined. That is, moisture is taken away by the fuel gas and the oxidant gas.
[0004]
When the reaction gas to be supplied is dry, the electrolyte near the inlet of the oxidant gas is dried. This is the same regardless of the type of electrolyte such as solid polymer electrolyte, phosphoric acid, sulfuric acid, and KOH. In the case of oxidant gas and pure hydrogen, since the supplied reaction gas is dry, it is necessary to supply it with humidification. Further, since the fuel cell reacts at a temperature higher than room temperature, the outlet temperature of the reactive gas becomes higher than the inlet temperature of the reactive gas, and the fuel cell is cooled by the reactive gas.
[0005]
However, one of the advantages of the fuel cell is the use of exhaust heat. If the exhaust heat of the fuel cell is taken away by the reaction gas, the temperature of the cooling water cannot be sufficiently increased, and the effective use of the exhaust heat is not possible. It becomes difficult. For this reason, heat exchange is performed at the inlet and outlet of the reaction gas.
[0006]
In a fuel cell, regardless of the type of electrolyte, there are upper and lower limits of the electrolyte concentration that are desirable for operating the fuel cell. In order to maintain the range, the temperature and humidity of the reaction gas are adjusted.
[0007]
Such a situation is exactly the same in a polymer electrolyte fuel cell in which an electrolyte is incorporated in a polymer, and is similar to a sulfuric acid fuel cell or a phosphoric acid fuel cell. However, since the lower limit value of moisture to be included in the solid polymer electrolyte is high, it is necessary to keep the humidity of the reaction gas slightly higher than other fuel cells.
[0008]
In the conventional fuel cell, the adjustment of the temperature and humidity of the oxidant gas is particularly emphasized. This is because the flow rate is overwhelmingly large compared to the fuel gas, and the heat and moisture taken away are overwhelmingly large compared to the fuel gas side.
[0009]
A typical example of a conventional fuel cell used as a device for exchanging the temperature and humidity between the supply gas and the exhaust gas of the oxidant gas is, for example, Japanese Patent Publication No. 63-18304. It is described in.
[0010]
FIG. 7 is a schematic diagram of a temperature / humidity exchanger and a fuel cell power generation system described in, for example, Japanese Patent Publication No. 63-18304. In the present invention, the basic configuration is the same as that shown in FIG. In FIG. 7, reference numeral 210 denotes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Reference numeral 110 denotes a temperature / humidity adjusting device that is provided adjacent to the fuel cell stack 210 and adjusts the temperature and humidity of an oxidant gas as a reaction gas. The fuel cell stack 210 is provided with a stack of fuel cells including an electrolyte layer 111 and an oxidant electrode 112 and a fuel electrode 115 provided so as to sandwich the electrolyte layer 111 therebetween. In general, several tens to several hundreds of fuel cells are stacked, and FIG. 7 shows a configuration of one more fuel cell for simplicity.
[0011]
Reference numeral 114 denotes an oxidant gas flow path toward the fuel battery cell, and 115 denotes a fuel gas flow path toward the fuel battery cell. Reference numeral 11 denotes a flow of oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack 210, and 12 denotes a flow of oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 210. Of the flow 11 of the oxidant supply gas, the flow entering the temperature / humidity adjusting device 110 is 11a, and the flow leaving the temperature / humidity adjusting device 110 is 11e. Of the oxidant exhaust gas flow 12, the flow entering the temperature / humidity adjusting device 110 is 12a and the flow leaving the temperature / humidity adjusting device 110 is 12e.
[0012]
The oxidant exhaust gas 12 discharged from the fuel cell stack 210 passes through the temperature / humidity adjusting device 110 and is discharged to the outside, and transfers heat and moisture to the temperature / humidity adjusting device 110. On the other hand, the oxidant supply gas 11 supplied to the fuel cell stack 210 is supplied to the fuel cell stack 210 after receiving heat and moisture through the temperature / humidity adjusting device 110. Since a sufficient amount of moisture is given to the electrolyte layer 111 in the vicinity of the oxidant gas inlet, an increase in ion conduction resistance due to drying can be reduced.
[0013]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a temperature and humidity adjusting device described in, for example, Japanese Patent Publication No. 63-18304. In the figure, 12a is a flow of the oxidant exhaust gas entering the temperature / humidity adjusting device 110, 12e is a flow of the oxidant exhaust gas exiting the temperature / humidity adjusting device 110, 102 is a water permeable film, 103 is a passage portion of the oxidant exhaust gas, Reference numeral 104 denotes an oxidant supply gas passage.
[0014]
The temperature / humidity adjusting device 110 is configured by alternately arranging hygroscopic paper and folded cardboard, and the hygroscopic paper functions as the water permeable film 102, and the thick and folded cardboard is used for oxidizing agent exhaust gas. A space for the passage portion 103 and the passage portion 104 for the oxidant supply gas is formed. The thickly folded cardboards are alternately arranged in directions orthogonal to each other, and the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas flow from the side through the water permeable film 102 in an orthogonal direction.
[0015]
The number of stacked sheets of the water permeable membrane 102 and the thickly folded cardboard is increased or decreased according to the flow rate of the oxidant gas and the amount of humidification required. The side surface visible in the front of FIG. 8 corresponds to the outlet side of the passage portion 104 for the oxidant supply gas.
[0016]
The oxidant exhaust gas moves through the path portion 103 of the oxidant exhaust gas through the thick paper portion folded from the left to the right in FIG. At that time, heat and moisture are absorbed by the water permeable membranes 102 above and below the cardboard portion. The heat and moisture absorbed by the water permeable membrane 102 are added to the oxidant supply gas that has passed through the water permeable membrane 102 and has passed through the passage portion 104 of the oxidant supply gas.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the temperature / humidity adjusting device 110 having such a configuration, the place where moisture accumulates is limited to the vicinity of the inlet of the passage portion 103 for the oxidant exhaust gas. Therefore, although the oxidant supply gas that has passed through the vicinity of the inlet of the passage portion 103 for the oxidant exhaust gas is sufficiently humidified, the oxidant supply gas that has passed through the vicinity of the center or the vicinity of the outlet is hardly humidified. For this reason, the number of stacked layers must be increased to increase the exchange rate of temperature and humidity, and the size becomes the same as that of the fuel cell stack 210. Moreover, in the conventional temperature / humidity adjusting device 110, the temperature / humidity of the oxidant supply gas is 10 ° C. and relative humidity 10% lower than the temperature / humidity of the oxidant exhaust gas, respectively. It was a problem because it could not be humidified. The same was true for fuel gas.
[0018]
In general, with respect to the reaction gas supplied to the fuel cell, sulfur compounds such as SOx contained in the atmosphere or fuel are taken into the fuel cell stack 210, and the performance is irreversibly greatly deteriorated. However, the conventional temperature and humidity control apparatus 110 has a problem in that it has almost no ability to remove it.
[0019]
Further, in the oxidant gas, dust, dust and fine particles in the atmosphere are taken into the fuel cell stack 210 by the dust, dust and fine particles in the atmosphere, and fine particles broken by the reforming catalyst are pulverized in the fuel gas. However, the conventional temperature and humidity control apparatus 110 has a problem because it has a poor ability to remove it.
[0020]
In addition, odorous components in the atmosphere, metal ions in pipes, and ion components such as calcium contained in water are taken into the electrode, causing adverse effects such as poisoning and increasing ion conduction resistance. The temperature / humidity adjusting device 110 has a problem because it has a poor ability to remove it.
[0021]
As described above, the conventional temperature / humidity adjustment device for a fuel cell has a limited range in which the temperature and humidity can be easily exchanged, has a limited humidification capacity, and needs to be configured by laminating a large number of water permeable membranes having a small area. In addition, there is a problem that the size of the temperature / humidity adjusting device becomes large and comparable to the fuel cell stack. Furthermore, there is a problem that the ability to remove harmful components in the fuel cell stack is poor.
[0022]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The temperature and humidity can be exchanged with high efficiency, the apparatus can be miniaturized, and further included in the reaction gas. An object of the present invention is to obtain a fuel cell including a temperature and humidity adjusting device capable of removing dust and impurities.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  The fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, and is supplied from the outside to permeate the fuel gas and is also supplied from the outside. Oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack that generates power by reacting through the fuel cell and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas, and the oxidant supply gas connected to the fuel cell stack and supplied to the fuel cell stack And a temperature / humidity adjusting device for exchanging heat and humidity between the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the temperature / humidity adjusting device has a temperature / humidity adjusting region. , A substance that adsorbs a sulfur compound, a substance that adsorbs a nitrogen compound, a substance that adsorbs ammonia, a substance that adsorbs formaldehyde on the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region,and,Things that adsorb COQualityAt least one of the substances is included.
[0024]
  The fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, and is supplied from the outside to permeate the fuel gas and is also supplied from the outside. Oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack that generates power by reacting through the fuel cell and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas, and the oxidant supply gas connected to the fuel cell stack and supplied to the fuel cell stack And a temperature / humidity adjusting device for exchanging heat and humidity between the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the temperature / humidity adjusting device has a temperature / humidity adjusting region. The temperature / humidity adjusting film used in the temperature / humidity adjusting region contains at least one of carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide, and an adhesive substance. Yes.
[0025]
  The fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, and is supplied from the outside to permeate the fuel gas and is also supplied from the outside. Oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack that generates power by reacting through the fuel cell and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas, and the oxidant supply gas connected to the fuel cell stack and supplied to the fuel cell stack And a temperature / humidity adjusting device that exchanges heat and humidity between the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the temperature / humidity adjusting device is divided into at least three parts. The first, second, and third temperature / humidity adjustment regions are provided, and in each temperature / humidity adjustment region, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas are opposed to each other through the temperature / humidity adjustment film. The oxidant supply gas supplied from the outside flows in the order of the first temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the third temperature / humidity adjustment region, while the fuel cell stack The exhaust gas discharged from the oxidant flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the first temperature / humidity adjustment region, and enters the first temperature / humidity adjustment region. Substances that adsorb sulfur compounds, substances that adsorb nitrogen compounds, substances that adsorb ammonia, substances that adsorb formaldehyde on the temperature and humidity control film used,and,Things that adsorb COQualityAt least one of the substances is included.
[0026]
  The fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, and is supplied from the outside to permeate the fuel gas and is also supplied from the outside. Oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack that generates power by reacting through the fuel cell and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas, and the oxidant supply gas connected to the fuel cell stack and supplied to the fuel cell stack And a temperature / humidity adjusting device that exchanges heat and humidity between the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the temperature / humidity adjusting device is divided into at least three parts. The first, second, and third temperature / humidity adjustment regions are provided, and in each temperature / humidity adjustment region, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas are opposed to each other through the temperature / humidity adjustment film. The oxidant supply gas supplied from the outside flows in the order of the first temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the third temperature / humidity adjustment region, while the fuel cell stack The exhaust gas discharged from the oxidant flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the first temperature / humidity adjustment region, and enters the first temperature / humidity adjustment region. The temperature / humidity adjusting film to be used contains at least one of carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide, and an adhesive substance.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 is a perspective view of a temperature / humidity adjusting device for a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. The temperature / humidity adjustment apparatus 100 includes a first temperature / humidity adjustment region 1, a second temperature / humidity adjustment region 2, and a third temperature / humidity adjustment region 3.
[0031]
In FIG. 1, 5 is an oxidant gas supply duct provided in the first temperature / humidity adjustment region 1, and 6 is an oxidant gas discharge duct provided in the first temperature / humidity adjustment region 1. On the other hand, 7 is an oxidant inlet port to the fuel cell stack provided in the third temperature / humidity adjustment region 3, and 8 is an oxidant outlet port from the fuel cell stack provided in the third temperature / humidity adjustment region 3. is there.
[0032]
11a is a flow of an oxidant supply gas flowing into the temperature / humidity adjusting device 100, 11e is a flow of an oxidant supply gas that is discharged from the temperature / humidity adjusting device 100 and supplied to a fuel cell stack (not shown), and 12a is a fuel (not shown). A flow of the oxidant exhaust gas flowing out of the battery stack and flowing into the temperature / humidity adjusting device 100, and 12e is a flow of the oxidant exhaust gas discharged from the temperature / humidity adjusting device 100.
[0033]
Furthermore, 13 is a partition plate between the first temperature / humidity adjustment region 1 and the second temperature / humidity adjustment region 2, and 14 is a space between the second temperature / humidity adjustment region 2 and the third temperature / humidity adjustment region 3. It is a partition plate.
[0034]
The temperature / humidity adjusting apparatus 100 according to the present embodiment has a box-shaped housing made of phenol resin. The outer diameter is 200 mm long, 150 mm wide, and 120 mm deep. This size is one-third the volume of the conventional temperature and humidity control device for the oxidant supply gas.
[0035]
Although not shown in FIG. 1, six temperature / humidity adjustment films are provided in each temperature / humidity adjustment region, and the temperature / humidity adjustment films and folded partition walls are alternately arranged as in the conventional example. The temperature / humidity adjustment cells are stacked in a stack of 6 cells. The oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas flow orthogonally through this temperature / humidity adjusting film.
[0036]
The first, second, and third temperature / humidity adjusting regions 1, 2, and 3 are partitioned by partition plates 13 and 14 that are each formed of a phenol resin plate. The two-dot chain line in the figure indicates the surface of the temperature / humidity adjustment film, which will be described in detail later, and the position of the common gas manifold portion in the temperature / humidity adjustment region.
[0037]
The oxidant supply gas enters the temperature / humidity adjusting device 100 from the oxidant gas supply duct 5 as indicated by an arrow 11a, and from the lower side of FIG. 1 in the first temperature / humidity adjustment region 1 as indicated by a thick dotted line arrow 11b. In the second temperature / humidity adjustment region 2, it flows from the upper side to the lower side in FIG. 1 as shown by a thick dotted line arrow 11 c, and is further folded at the common gas manifold portion. In the temperature / humidity adjustment region 3, the gas flows from the lower side to the upper side in FIG. 1 as indicated by a thick dotted arrow 11 d, and travels toward the fuel cell stack through the oxidant inlet port 7 as indicated by an arrow 11 e.
[0038]
On the other hand, the oxidant exhaust gas exiting the fuel cell stack enters the temperature / humidity adjusting device 100 from the oxidant outlet port 8 as indicated by an arrow 12a, and enters a third temperature / humidity adjustment region as indicated by an open dotted line arrow 12b. 3 flows in the horizontal direction from the right side to the left side in FIG. 1, folded at the common gas manifold, and flows in the second temperature / humidity adjustment region 2 in the horizontal direction from the left side to the right side in FIG. Further, it is folded back at the common gas manifold, and flows through the first temperature / humidity adjustment region 1 horizontally from the right side to the left side in FIG. 1 as indicated by the dotted dotted arrow 12d, and the oxidant gas is discharged as indicated by the arrow 12e. It is discharged from the temperature / humidity adjusting apparatus 100 through the duct 6.
[0039]
The oxidant exhaust gas is in a high-temperature and high-humidity state due to the heat generated in the fuel cell and the generated water, and the third temperature and humidity adjustment region 3 through which the oxidant exhaust gas first passes is a large amount of oxidant exhaust gas. Therefore, the temperature becomes the highest among the three temperature / humidity adjustment regions.
[0040]
On the other hand, the oxidant supply gas has a temperature close to room temperature and a low humidity. Therefore, the first temperature / humidity adjustment region 1 through which the oxidant supply gas dried at the lowest temperature first passes is the lowest temperature among the three temperature / humidity adjustment regions because the dried oxidant supply gas takes a large amount of heat of evaporation. Become.
[0041]
That is, the third temperature and humidity adjustment region 3 has the highest temperature, and the temperature decreases in the second and first order. Further, the third temperature / humidity adjustment region 3 is most wet, and the humidity decreases in the second and first order.
As described above, the fuel cell according to the present embodiment includes three regions of high temperature and high humidity, medium temperature and medium humidity, and low temperature and low humidity.
[0042]
FIG. 2 is a perspective view of the temperature / humidity adjusting device 100 and the fuel cell stack 200 of the fuel cell according to the present embodiment. Arrows 16 a, 16 b, and 16 c indicate the flow of the oxidant gas in the fuel cell stack 200.
The fuel cell stack 200 of the present embodiment in FIG. 2 is a solid polymer fuel cell, and is provided with 75 fuel cells stacked. The structure of each fuel cell is the same as the conventional example. The effective area of the cell is 100cm2It is. The oxidant gas is configured to flow from the upper side to the lower side in FIG. 2 via an internal manifold (not shown) arranged vertically above and below.
[0043]
The oxidant gas that has entered the fuel cell stack 200 from the oxidant inlet port 7 passes through the oxidant inlet side internal manifold disposed above the fuel cell stack 200 as shown by the arrow 16a, and the oxidant gas flow of each cell. As shown by the arrow 16b, the oxygen is consumed and the generated water is added, and further heated by the heat generated by the power generation of the cell. 2 passes through the oxidant outlet side internal manifold arranged at the lower side of FIG. 2 as indicated by an arrow 16c, and enters the temperature / humidity adjusting apparatus 100 through the oxidant outlet port 8.
[0044]
The oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200 is heated and humidified to become a high-temperature and high-humidity gas. On the other hand, the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack 200 is generally low-temperature and low-humidity before flowing into the temperature-humidity adjusting apparatus 100 because air in the atmosphere is generally collected and supplied by a blower or a compressor. In the temperature / humidity adjusting apparatus 100, the temperature and humidity are increased by exchanging the temperature / humidity with the oxidant exhaust gas via the temperature / humidity adjusting film.
[0045]
The configuration of the temperature / humidity adjusting device for a fuel cell according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 3, 4, 5, and 6.
FIG. 3 is a plan view of the first temperature / humidity adjustment region 1 (A), a cross-sectional view taken along line BB in the plan view (A) (B), and a line CC in the plan view (A). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (C).
In FIG. 3, reference numeral 22 denotes an oxidant gas supply port provided in the oxidant gas supply duct 5. Reference numeral 23 denotes an oxidant gas discharge port provided in the oxidant gas discharge duct 6. 11b is a flow of the oxidant supply gas, and 12d is a flow of the oxidant exhaust gas.
[0046]
26 is a temperature / humidity adjusting film in the first region, 27 is a partition wall provided with an oxidant exhaust gas passage, 28 is a partition wall provided with an oxidant supply gas passage, and 29 is an oxidant supply first region inlet common gas. Manifold, 30 is an oxidant supply first region outlet common gas manifold, 31 is an oxidant discharge first region inlet common gas manifold, and 32 is an oxidant discharge first region outlet common gas manifold.
[0047]
The first temperature / humidity adjustment region 1 is the lowest temperature / humidity region among the three temperature / humidity adjustment regions. The first temperature / humidity adjustment region 1 includes an oxidant gas supply duct 5 and an oxidant gas discharge duct 6, to which an oxidant gas supply port 22 and an oxidant gas discharge port 23 are attached, respectively.
[0048]
An oxidant supply gas such as air collected by using an air blower or an air compressor is supplied from the oxidant gas supply port 22, supplied to the fuel cell stack 200 through the temperature / humidity adjusting device 100, and used for power generation. After that, it becomes hot and humid and becomes an oxidant exhaust gas. Then, after entering the temperature / humidity adjusting device 100 again and passing through the temperature / humidity adjusting device 100, the temperature and humidity are given to the oxidant supply gas through the temperature / humidity adjusting film to lower the temperature and humidity, and then the oxidant gas is discharged. It is discharged from the port 23.
[0049]
The temperature / humidity adjusting film 26 in the first region uses 150 μm thick Japanese paper coated with activated carbon on one side, and the surface coated with fine powder of activated carbon, which is a substance that adsorbs sulfur oxide, is placed on the oxidant supply gas side. Arranged toward. Further, thick paper (craft paper) folded in a valley is used for the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas.
[0050]
The temperature / humidity adjustment film 26 in the first region condenses moisture in the oxidant exhaust gas to remove heat and lowers the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and is brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture and humidify the oxidant supply gas to raise the temperature. The oxidant exhaust gas is also cooled by the heat transfer on the front and back of the temperature / humidity adjusting film 26, and the oxidant supply gas is heated. However, the amount of heat transferred is often greater in the latent heat transfer due to condensation and evaporation than in the sensible heat transfer due to heat transfer between the front and back of the film.
[0051]
In addition, the activated carbon fine powder facing the oxidant supply gas side has a large surface area for substances that inhibit the function of the oxidant electrode of the fuel cell, such as sulfur compounds, nitrogen compounds, and ammonia, contained in the oxidant supply gas. Adsorb and remove. It should be noted that dust and dust are also removed by adhering to the film in the first temperature and humidity adjustment region 1.
[0052]
4 is a plan view (D) of the second temperature / humidity adjustment region 2, a cross-sectional view (E) taken along the line EE in the plan view (D), and a line FF in the plan view (D). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (F).
In FIG. 4, 36 is a temperature / humidity adjusting film in the second region, 37 is a flow of oxidant supply gas moving between the common gas manifolds, 38 is a flow of oxidant exhaust gas moving between the common gas manifolds, and 39 is an oxidation. 40 is an oxidant supply second region outlet common gas manifold, 41 is an oxidant discharge second region inlet common gas manifold, and 42 is an oxidant discharge second region outlet common gas manifold. .
[0053]
The oxidant supply second region inlet common gas manifold 39 communicates with the oxidant supply first region outlet common gas manifold 30 shown in FIG. An arrow 37 indicates the flow of the oxidant supply gas from the oxidant supply first region outlet common gas manifold 30 toward the oxidant supply second region inlet common gas manifold 39. An arrow 37 further indicates the flow of the oxidant supply gas from the oxidant supply second region outlet common gas manifold 40 toward the oxidant supply third region inlet common gas manifold described later.
[0054]
On the other hand, the oxidant discharge second region outlet common gas manifold 42 communicates with the oxidant discharge first region inlet common gas manifold 31 shown in FIG. An arrow 38 indicates the flow of the oxidant exhaust gas from the oxidant discharge second region outlet common gas manifold 42 toward the oxidant discharge first region inlet common gas manifold 31. An arrow 38 indicates the flow of the oxidant exhaust gas from the oxidant discharge third region outlet common gas manifold 53 described later to the oxidant discharge second region inlet common gas manifold 41.
[0055]
The second temperature / humidity adjustment region 2 is an intermediate temperature / humidity region among the three temperature / humidity adjustment regions. The oxidant supply gas that has been slightly heated and humidified in the first temperature and humidity adjustment region 1 is further heated and humidified in the second temperature and humidity adjustment region 2. Further, the oxidant exhaust gas deprived of heat and moisture in the third temperature / humidity adjustment region 3 is further deprived of heat and moisture in the second temperature / humidity adjustment region 2, and the heat and moisture are removed from the second region. It is added to the oxidant supply gas through the temperature / humidity adjusting film 36.
[0056]
A 150 μm-thick Japanese paper was used for the temperature and humidity adjustment film 36 in the second region. Similarly to the first temperature and humidity adjustment region 1, the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas are thickly folded cardboard (craft paper). Was used.
[0057]
The temperature / humidity adjusting film 36 in the second region condenses moisture in the oxidant exhaust gas to remove heat and lowers the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and is brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture and humidify the oxidant supply gas to raise the temperature.
[0058]
FIG. 5 is a plan view (G) of the third temperature / humidity adjustment region 3, an arrow sectional view (H) along the line HH in the plan view (G), and a line II along the plan view (G). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (I).
In FIG. 5, 46 is a temperature / humidity adjustment film in the third region, 50 is an oxidant supply third region inlet common gas manifold, 51 is an oxidant supply third region outlet common gas manifold, and 52 is an oxidant discharge third region inlet. A common gas manifold 53 is an oxidant discharge third region outlet common gas manifold.
[0059]
The oxidant supply third region inlet common gas manifold 50 communicates with the oxidant supply second region outlet common gas manifold 40 shown in FIG. On the other hand, the oxidant discharge third region outlet common gas manifold 53 communicates with the oxidant discharge second region inlet common gas manifold 41 shown in FIG.
[0060]
The third temperature / humidity adjustment region 3 is the highest temperature / humidity region among the three temperature / humidity adjustment regions. The oxidant supply gas further heated and humidified in the second temperature / humidity adjustment region 2 is heated and humidified to a degree sufficient for use in the fuel cell in the third temperature / humidity adjustment region 3. On the other hand, the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200 is deprived of a large amount of heat and moisture in the third temperature / humidity adjustment region 3, and the heat and moisture pass through the temperature / humidity adjustment film 46 in the third region. Added to the oxidant supply gas.
[0061]
The temperature / humidity adjusting membrane 46 in the third region was hot-pressed at 180 ° C. by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (Nafion 112, DuPont) having a proton conductivity of 50 μm in thickness between two pieces of carbon paper (Toray). I used something. Similarly to the first temperature and humidity adjustment region 1, the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas are thickly folded cardboard (craft paper). Was used.
[0062]
In the temperature / humidity adjusting film 46 in the third region, moisture in the oxidant exhaust gas is condensed to remove heat, and the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas are lowered. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and is brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture and humidify the oxidant supply gas to raise the temperature. Further, since the temperature / humidity adjusting film 46 in the third region is an ion exchange film, it removes substances that obstruct the function of the oxidant electrode of the fuel cell such as metal ions contained in the oxidant supply gas.
[0063]
FIG. 6 is a plan view of the temperature / humidity adjusting apparatus 100 as viewed from the fuel cell stack 200 side. The temperature / humidity adjusting apparatus 100 of the present embodiment is detachable from the fuel cell stack 200 via the oxidant inlet port 7 and the oxidant outlet port 8. Therefore, the temperature / humidity adjusting device 100 can be removed from the fuel cell stack 200 and the dirty temperature / humidity adjusting film can be easily replaced.
[0064]
When the temperature / humidity adjusting apparatus 100 of the present embodiment is mounted on a 1 kW class polymer electrolyte fuel cell stack 200 and an operation test of about 500 hours including 100 start / stop and load changes is performed, It was confirmed that the system could be operated with a higher output voltage than the temperature and humidity control device.
[0065]
  As described above, the fuel cell according to the present embodiment includes the electrolyte layer, the fuel electrode and the oxidant electrode that are provided with the electrolyte layer sandwiched therebetween, allows the fuel gas supplied from the outside to permeate the fuel electrode, and is also supplied from the outside. The oxidized oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack 200 that generates electric power by reacting through the fuel cell and discharges the reacted oxidant supply gas as an oxidant discharge gas; and an oxidant supply gas that is connected to the fuel cell stack 200 and is supplied to the fuel cell stack 200; A fuel cell having a temperature / humidity adjusting device 100 that performs heat exchange / humidity exchange with an oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200. The temperature / humidity adjusting device 100 is divided into at least three. The first, second, and third temperature / humidity adjustment regions 1, 2, and 3 are provided. In each of the temperature / humidity adjustment regions 1, 2, and 3, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas are temperature and humidity. The oxidizing agent supply gas supplied from the outside through the adjustment films 26, 36, and 46 is supplied from the first temperature / humidity adjustment region 1, the second temperature / humidity adjustment region 2, and the third temperature / humidity adjustment region 3. Flow in the order On the other hand, the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200, the third temperature and humidity adjusting region 3, the second temperature and humidity adjustment region 2 flows into the first order of the temperature and humidity adjustment region 1. Therefore, the reaction supply gas can be efficiently heated and humidified in the order of low temperature, low humidity, medium temperature, medium humidity, and high temperature, high humidity, and the temperature and humidity can be exchanged with high efficiency. Can be achieved.
[0066]
Further, in the first, second, and third temperature / humidity adjustment regions 1, 2, and 3, the temperature / humidity adjustment films 26 and 36 each have a flow path through which the oxidant supply gas flows and a flow path through which the oxidant exhaust gas flows. , 46 and a plurality of temperature / humidity adjustment cells are stacked perpendicular to the gas flow direction, and one side of the temperature / humidity adjustment cell in the first temperature / humidity adjustment region 1 is the other side. The oxidant supply gas flowing in the second temperature / humidity adjustment region 2 flows in the opposite direction to the first temperature / humidity adjustment region 1, and further in the third temperature / humidity adjustment region 3, the second temperature / humidity adjustment region 2. The oxidant exhaust gas flowing in the opposite direction to the oxidant and flowing orthogonally to the oxidant supply gas in the third temperature / humidity adjustment region 3 is opposite to the third temperature / humidity adjustment region 3 in the second temperature / humidity adjustment region 2. In addition, the first temperature and humidity In integer area 1 flows in the opposite direction to the temperature and humidity adjustment region 2 of the second. Therefore, the temperature and humidity can be effectively exchanged between the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas without complicating the structure.
[0067]
Embodiment 2. FIG.
In the present embodiment, platinum, which is a noble metal, is added to acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, on the oxidant supply gas side of the temperature / humidity adjustment film 26 used in the first temperature / humidity adjustment region 1 of the first embodiment. A platinum-supported carbon carrying fine particles was mixed and sprayed with a Nafion liquid (Aldrich) which is a solid polymer electrolyte in a liquid state. And it supplied as oxidant gas with formaldehyde smell. Then, the formaldehyde odor disappeared from the outlet gas of the temperature and humidity adjusting device, and it was found that the odor component can be decomposed and removed by attaching with a platinum catalyst.
[0068]
However, when the temperature / humidity adjusting film 26 is used in the third temperature / humidity adjusting region 3, a formaldehyde odor remains. For this reason, it is considered that the effect of removing odorous components was high because the adsorptive power was strong at low temperature and the carbon was not too wet at low humidity and kept a high surface area.
[0069]
Embodiment 3 FIG.
In the present embodiment, a material in which spray paste (3M) is sprayed as an adhesive substance on the oxidant supply gas side of the temperature / humidity adjustment film 26 used in the first temperature / humidity adjustment region 1 is used. It was found that almost all the house dust adhered to the temperature / humidity adjustment film 26 in the first temperature / humidity adjustment region 1 and could be removed.
[0070]
However, in the third temperature / humidity adjustment region 3, when the temperature / humidity adjustment film 26 sprayed with spray paste (3M) was used, the paste deteriorated at high temperature and high humidity after being used for a while. I lost my function.
[0071]
Embodiment 4 FIG.
In the present embodiment, a 0.1N potassium hydroxide aqueous solution was applied to the temperature / humidity adjustment film 36 used in the second temperature / humidity adjustment region 2 and dried. Moreover, what mixed 50 ppm SOx was used as oxidizing agent supply gas. When SOx was analyzed after the supply was continued for 6 hours, a large amount was detected, and it was found that SOx, which is an acidic compound, was neutralized with alkaline potassium hydroxide and trapped as potassium sulfate.
[0072]
SOx is known to irreversibly degrade all types of fuel cells. On the other hand, the air contains a trace amount of SOx from automobile exhaust gas and the like, and there is a concern about deterioration due to these substances.
[0073]
The trapping of these impurities by the temperature / humidity adjusting membrane has the effect of extending the life of the fuel cell. When the temperature / humidity adjusting film 36 coated with 0.1N potassium hydroxide aqueous solution and dried is used in the first temperature / humidity adjusting region 1, the effect is small, and when it is used in the third temperature / humidity adjusting region 3. After a while, the potassium hydroxide component was poured into the condensed water and accumulated underneath, so it stopped functioning.
[0074]
Embodiment 5. FIG.
In this embodiment, a reformed gas of methane containing 50 ppm of CO is used as a reaction gas instead of an oxidant gas. Moreover, although it is a structure very similar to FIG. 1, what reduced the 1st, 2nd, 3rd temperature / humidity adjustment film | membrane to 2 sheets instead of 6 sheets was used. We connected to the fuel gas inlet and the fuel gas outlet of the fuel cell stack and conducted an operation test including start / stop and load change, and confirmed that it could be operated with a higher output voltage than the conventional temperature and humidity control device.
[0075]
Embodiment 6 FIG.
In the present embodiment, acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, is formed on the oxidant supply gas side of the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region 1 with the same configuration as in the fifth embodiment. Using platinum-supported carbon carrying fine platinum particles mixed with Nafion liquid (Aldrich), which is a solid polymer electrolyte in a liquid state, and sprayed, and using a gas mixer, the CO concentration was changed from 50 ppm to 500 ppm. When a gas simulating methane reformed gas was supplied, it was found that even if the CO poisoning suddenly increased, the influence on the cell voltage was small and a high cell voltage could be maintained.
[0076]
This is because the platinum catalyst in the low temperature and low humidity region adsorbs a high concentration of CO and gradually desorbs it, so that a rapid decrease in cell voltage due to a sudden increase in CO concentration can be prevented. This is thought to be due to functioning as a buffer. The CO concentration in the reformed gas may change greatly depending on the situation, and the function of mitigating this is extremely important in stabilizing the output voltage.
[0077]
In the above embodiment, the case where Japanese paper is used as the temperature / humidity adjusting film is shown. However, polypropylene nonwoven fabric, polypropylene porous membrane, polyethylene nonwoven fabric, polyethylene porous membrane, polystyrene nonwoven fabric, natural pulp paper, cotton fabric, cotton nonwoven fabric. Cloth, felt, carbon non-woven fabric, carbon cloth, carbon paper, etc. may be used, or a combination thereof may be used, and the same effect can be obtained.
[0078]
In the above embodiment, the case where Nafion 112 is used as the solid polymer electrolyte membrane used as the temperature / humidity adjusting membrane is shown. However, Aciplex (Asahi Kasei), Flemion (Asahi Glass), Gore membrane (Japan Go-Atex) In addition to these fluorine-based films having a sulfonic acid group in the side chain, a fluorine-based film or a hydrocarbon-based film having a carboxylic acid group in the side chain may be used.
[0079]
In the above embodiment, an oxidizing gas is used as a reaction gas. However, a fuel gas such as pure hydrogen or a reformed gas may be used, and similar effects can be obtained.
[0080]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
[0081]
  The fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, and is supplied from the outside to permeate the fuel gas and is also supplied from the outside. Oxidant supply gas is permeated into the oxidant electrode, and the fuel gas and the oxidant supply gas areElectrolyte layerA fuel cell stack that generates power by reacting through the fuel cell and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas, and the oxidant supply gas connected to the fuel cell stack and supplied to the fuel cell stack And a temperature / humidity adjusting device for exchanging heat and humidity between the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the temperature / humidity adjusting device has a temperature / humidity adjusting region. A temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region, a substance that adsorbs a sulfur compound, a substance that adsorbs a nitrogen compound, a substance that adsorbs ammonia, a substance that adsorbs formaldehyde,and,Things that adsorb COQualityAt least one of the substances is included.
  The temperature / humidity adjustment membrane used in the temperature / humidity adjustment area contains a substance that adsorbs sulfur compounds, so it is effective to use sulfur compounds that significantly reduce the performance of fuel cells in medium-temperature, medium-humidity areas with moderate humidity. Can be removed by adsorption.
  In addition, the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains a substance that adsorbs nitrogen compounds and a substance that adsorbs ammonia. Substances that inhibit the function can be adsorbed and removed.
  Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the temperature / humidity adjusting region contains a substance that adsorbs formaldehyde, the odorous component of formaldehyde can be adsorbed and decomposed and removed.
  Moreover, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains a substance that adsorbs CO, CO can be effectively adsorbed and removed.The
[0082]
  Moreover, the fuel cell according to the present invention has a temperature / humidity adjusting device.A temperature / humidity adjustment region having a temperature / humidity adjustment region, and at least one of carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide and an adhesive substance is used in the temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region. Contains one substance.
  Since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains carbon powder, in the low temperature and low humidity region where the carbon powder is too wet and the pores are filled with moisture and the surface area is less likely to decrease. Odorous components that may poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon.
  Moreover, since the temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region contains carbon powder supporting a noble metal, the carbon powder is too wet and the pores are buried with moisture, thereby reducing the surface area. In the low-temperature and low-humidity region, odorous components that may poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon. Further, even when a large amount of CO is adsorbed and the CO concentration in the reformed gas increases rapidly, the change in the CO concentration can be mitigated and the influence on the output voltage of the fuel cell stack can be mitigated.
  Furthermore, since the temperature and humidity adjustment membrane used in the temperature and humidity adjustment region contains activated carbon, which is a substance that adsorbs sulfur oxides, the performance of the fuel cell can be greatly improved in the intermediate and intermediate humidity regions with moderate humidity. The sulfur oxide to be reduced can be effectively adsorbed and removed.
  In addition, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, the carbon powder is too wet and the pores are filled with moisture, resulting in a large surface area. In a low-temperature and low-humidity region that hardly decreases, odorous components that can poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon.
  Moreover, since the temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region contains potassium hydroxide, the acidic compound can be neutralized and trapped by alkaline potassium hydroxide.
  In addition, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment area contains an adhesive substance, even if the adhesive substance is a substance whose life deteriorates due to high temperature and humidity, it is oxidized in the low temperature and low humidity area. Particulate and fibrous substances such as dust contained in the agent supply gas can be efficiently adsorbed and removed by the adhesive substance.
[0083]
  The temperature / humidity adjustment apparatus has first, second, and third temperature / humidity adjustment regions divided into at least three, and in each of the temperature / humidity adjustment regions, an oxidant supply gas and an oxidant exhaust gas are provided. And the oxidant supply gas supplied from the outside flows in the order of the first temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the third temperature / humidity adjustment region, On the other hand, the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the first temperature / humidity adjustment region. Since the reaction supply gas can be efficiently heated and humidified in the order of high temperature and high humidity, and the temperature and humidity can be exchanged with high efficiency, the apparatus can be downsized.
[0084]
  In addition, a substance that adsorbs a sulfur compound, a substance that adsorbs a nitrogen compound, a substance that adsorbs ammonia, a substance that adsorbs formaldehyde, on the temperature and humidity adjustment film used in the first temperature and humidity adjustment region,and,Things that adsorb COQualityAt least one of the substances is included.
  The temperature / humidity adjustment membrane used in the temperature / humidity adjustment area contains a substance that adsorbs sulfur compounds, so it is effective to use sulfur compounds that significantly reduce the performance of fuel cells in medium-temperature, medium-humidity areas with moderate humidity. Can be removed by adsorption.
  In addition, the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains a substance that adsorbs nitrogen compounds and a substance that adsorbs ammonia. Substances that inhibit the function can be adsorbed and removed.
  Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the temperature / humidity adjusting region contains a substance that adsorbs formaldehyde, the odorous component of formaldehyde can be adsorbed and decomposed and removed.
  Moreover, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains a substance that adsorbs CO, CO can be effectively adsorbed and removed.The
[0085]
  In addition, the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains at least one of carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide, and an adhesive substance. Is.
  Since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains carbon powder, in the low temperature and low humidity region where the carbon powder is too wet and the pores are filled with moisture and the surface area is less likely to decrease. Odorous components that may poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon.
  Moreover, since the temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region contains carbon powder supporting a noble metal, the carbon powder is too wet and the pores are buried with moisture, thereby reducing the surface area. In the low-temperature and low-humidity region, odorous components that may poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon. Further, even when a large amount of CO is adsorbed and the CO concentration in the reformed gas increases rapidly, the change in the CO concentration can be mitigated and the influence on the output voltage of the fuel cell stack can be mitigated.
  Furthermore, since the temperature and humidity adjustment membrane used in the temperature and humidity adjustment region contains activated carbon, which is a substance that adsorbs sulfur oxides, the performance of the fuel cell can be greatly improved in the intermediate and intermediate humidity regions with moderate humidity. The sulfur oxide to be reduced can be effectively adsorbed and removed.
  In addition, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment region contains acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, the carbon powder is too wet and the pores are filled with moisture, resulting in a large surface area. In a low-temperature and low-humidity region that hardly decreases, odorous components that can poison the fuel cell electrode can be adsorbed and removed by the large surface area of the activated carbon.
  Moreover, since the temperature / humidity adjustment film used in the temperature / humidity adjustment region contains potassium hydroxide, the acidic compound can be neutralized and trapped by alkaline potassium hydroxide.
  In addition, since the temperature and humidity adjustment film used in the temperature and humidity adjustment area contains an adhesive substance, even if the adhesive substance is a substance whose life deteriorates due to high temperature and humidity, it is oxidized in the low temperature and low humidity area. Particulate and fibrous substances such as dust contained in the agent supply gas can be efficiently adsorbed and removed by the adhesive substance.
[Brief description of the drawings]
1 is a perspective view of a temperature / humidity adjustment device for a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 2 is a perspective view of a temperature and humidity adjusting device for a fuel cell and a fuel cell stack according to the present embodiment.
FIG. 3 is a plan view (A) of the first temperature / humidity adjustment region, an arrow cross-sectional view (B) along the line BB in the plan view (A), and a line CC along the plan view (A). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (C).
FIG. 4 is a plan view (D) of the second temperature / humidity adjustment region, an arrow cross-sectional view (E) along the line EE in the plan view (D), and a line FF in the plan view (D). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (F).
FIG. 5 is a plan view (G) of a third temperature / humidity adjustment region, an arrow cross-sectional view (H) along the line HH in the plan view (G), and a line II along the plan view (G). It is explanatory drawing which shows both arrow directional cross-sectional views (I).
FIG. 6 is a plan view of the temperature / humidity adjusting device as viewed from the fuel cell stack side.
FIG. 7 is a schematic diagram of a conventional temperature / humidity exchanger and a fuel cell power generation system.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional temperature and humidity adjusting device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Temperature / humidity adjustment apparatus, 1st temperature / humidity adjustment area | region, 2nd 2nd temperature / humidity adjustment area | region, 3rd temperature / humidity adjustment area | region, 200 fuel cell stack, 26 temperature / humidity adjustment film | membrane of 1st area | region, 29 oxidation Oxidant supply first region inlet common gas manifold, 30 Oxidant supply first region outlet common gas manifold, 31 Oxidant discharge first region inlet common gas manifold, 32 Oxidant discharge first region outlet common gas manifold, 36 Second region 39 Oxidant supply second region inlet common gas manifold, 40 Oxidant supply second region outlet common gas manifold, 41 Oxidant discharge second region inlet common gas manifold, 42 Oxidant discharge second region outlet Common gas manifold, 46 Temperature / humidity adjustment film in the third region, 50 Oxidant supply third region inlet common gas manifold 51, oxidant supply third region outlet common gas manifold, 52 oxidant discharge third region inlet common gas manifold, 53 oxidant discharge third region outlet common gas manifold.

Claims (4)

電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置と
を有する燃料電池であって、
前記温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれていることを特徴とする燃料電池。An electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, a fuel gas supplied from the outside is allowed to permeate the fuel electrode, and an oxidant supply gas also supplied from the outside is used as the oxidant. A fuel cell stack that permeates into an electrode, reacts the fuel gas and the oxidant supply gas through the electrolyte layer to generate power, and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas;
A temperature / humidity adjusting device connected to the fuel cell stack and performing heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack; A fuel cell comprising:
The temperature / humidity adjusting device has a temperature / humidity adjusting region, and a temperature / humidity adjusting film used in the temperature / humidity adjusting region includes a substance that adsorbs a sulfur compound, a substance that adsorbs a nitrogen compound, a substance that adsorbs ammonia, and formaldehyde. substance which adsorbs and fuel cells, characterized in that it contains at least one of the substances of the quality ones which adsorbs CO. 電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置と
を有する燃料電池であって、
前記温度湿度調整装置は温度湿度調整領域を有し、前記温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれていることを特徴とする燃料電池。An electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, a fuel gas supplied from the outside is allowed to permeate the fuel electrode, and an oxidant supply gas also supplied from the outside is used as the oxidant. A fuel cell stack that permeates into an electrode, reacts the fuel gas and the oxidant supply gas through the electrolyte layer to generate power, and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas;
A temperature / humidity adjusting device connected to the fuel cell stack and performing heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack; A fuel cell comprising:
The temperature / humidity adjusting device has a temperature / humidity adjusting region, and the temperature / humidity adjusting film used in the temperature / humidity adjusting region includes carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide, and adhesive. A fuel cell comprising at least one of the substances. 電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置と
を有する燃料電池であって、
前記温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領域においては、前記酸化剤供給ガスと前記酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、
外部から供給された前記酸化剤供給ガスは、前記第１の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第３の温度湿度調整領域の順に流れ、
一方、前記燃料電池スタックから排出された前記酸化剤排出ガスは、前記第３の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第１の温度湿度調整領域の順に流れ、
前記第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、イオウ化合物を吸着する物質、窒素化合物を吸着する物質、アンモニアを吸着する物質、ホルムアルデヒドを吸着する物質、および、ＣＯを吸着する物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれていることを特徴とする燃料電池。An electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, a fuel gas supplied from the outside is allowed to permeate the fuel electrode, and an oxidant supply gas also supplied from the outside is used as the oxidant. A fuel cell stack that permeates into an electrode, reacts the fuel gas and the oxidant supply gas through the electrolyte layer to generate power, and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas;
A temperature / humidity adjusting device connected to the fuel cell stack and performing heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack; A fuel cell comprising:
The temperature / humidity adjusting device has first, second, and third temperature / humidity adjustment regions divided into at least three, and in each of the temperature / humidity adjustment regions, the oxidizing agent supply gas and the oxidizing agent discharge are provided. Gas confronts through the temperature and humidity adjustment membrane,
The oxidant supply gas supplied from the outside flows in the order of the first temperature and humidity adjustment region, the second temperature and humidity adjustment region, and the third temperature and humidity adjustment region,
On the other hand, the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the first temperature / humidity adjustment region,
A substance that adsorbs a sulfur compound, a substance that adsorbs a nitrogen compound, a substance that adsorbs ammonia, a substance that adsorbs formaldehyde, and a substance that adsorbs CO on the temperature and humidity adjustment film used in the first temperature and humidity adjustment region A fuel cell comprising at least one substance of quality . 電解質層、該電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させて、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電解質層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタックに供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置と
を有する燃料電池であって、
前記温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領域においては、前記酸化剤供給ガスと前記酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、
外部から供給された前記酸化剤供給ガスは、前記第１の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第３の温度湿度調整領域の順に流れ、
一方、前記燃料電池スタックから排出された前記酸化剤排出ガスは、前記第３の温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記第１の温度湿度調整領域の順に流れ、
前記第１の温度湿度調整領域に用いられる温度湿度調整膜に、カーボン粉末、貴金属を担持したカーボン粉末、活性炭、アセチレンブラック、水酸化カリウムおよび粘着性の物質の少なくともいずれか１つの物質が含まれていることを特徴とする燃料電池。An electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided between the electrolyte layers, a fuel gas supplied from the outside is allowed to permeate the fuel electrode, and an oxidant supply gas also supplied from the outside is used as the oxidant. A fuel cell stack that permeates into an electrode, reacts the fuel gas and the oxidant supply gas through the electrolyte layer to generate power, and discharges the oxidant supply gas after the reaction as an oxidant exhaust gas;
A temperature / humidity adjusting device connected to the fuel cell stack and performing heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack; A fuel cell comprising:
The temperature / humidity adjusting device has first, second, and third temperature / humidity adjustment regions divided into at least three, and in each of the temperature / humidity adjustment regions, the oxidizing agent supply gas and the oxidizing agent discharge are provided. Gas confronts through the temperature and humidity adjustment membrane,
The oxidant supply gas supplied from the outside flows in the order of the first temperature and humidity adjustment region, the second temperature and humidity adjustment region, and the third temperature and humidity adjustment region,
On the other hand, the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region, the second temperature / humidity adjustment region, and the first temperature / humidity adjustment region,
The temperature / humidity adjustment film used in the first temperature / humidity adjustment region includes at least one of carbon powder, carbon powder supporting a noble metal, activated carbon, acetylene black, potassium hydroxide, and an adhesive substance. A fuel cell characterized by comprising:
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